מהי ההשפעה של התמוטטות דיודה על המהפך?

一, סוגים ומנגנונים פיזיים של פירוק דיודות
ניתן לחלק את התמוטטות הדיודה לשני סוגים: התמוטטות חשמלית והתמוטטות תרמית, והמנגנונים הפיזיקליים שלהן קשורים קשר הדוק לתכונות החומר, ריכוז הסימום, הטמפרטורה וגורמים נוספים.

1. קלקול חשמלי: תהליך פיזיקלי הפיך
קלקול חשמלי כולל שני מנגנונים: התמוטטות זנר והתמוטטות מפולת

התמוטטות זנר: מתרחשת בצמתי PN מסוממים מאוד (כגון ווסתי מתח), שבהם רוחב שכבת הדלדול צר במיוחד (<1 μ m). Under the action of reverse voltage, a strong electric field directly pulls out the valence electrons in covalent bonds, forming electron hole pairs, resulting in a sharp increase in reverse current. Zener breakdown voltage is usually below 4V and has a negative temperature coefficient (breakdown voltage decreases with increasing temperature).
Avalanche breakdown: commonly seen in low doped PN junctions, with a wide depletion layer (>10 מיקרומטר). מתח הפוך מאיץ את נושאי המיעוטים, וגורם להם להתנגש בסריג וליצור נשאים חדשים, ויוצרים תגובת שרשרת של מפולת. מתח ההתמוטטות של המפולת גבוה בדרך כלל מ-6V ויש לו מקדם טמפרטורה חיובי (מתח ההתמוטטות עולה עם הטמפרטורה).
התמוטטות חשמלית היא בעצם תהליך פיזי הפיך.

2. התמוטטות תרמית: כשל קטסטרופלי בלתי הפיך
כאשר הזרם ההפוך ממשיך לעלות לאחר התמוטטות חשמלית, או כאשר ננקטים אמצעי זרם אינסופיים במעגל, צריכת החשמל של צומת ה-PN עולה על ערך הגבול, וכתוצאה מכך לעלייה חדה בטמפרטורת הצומת. בשלב זה, האלקטרונים הערכיים בקשר הקוולנטי מקבלים מספיק אנרגיה כדי להשתחרר ממגבלות אטומיות, ויוצרים מספר רב של זוגות חורים אלקטרוניים חופשיים, מה שמחריף עוד יותר את צמיחת הזרם ויוצרים לולאת משוב חיובי. בסופו של דבר, צומת ה-PN נמס עקב התחממות יתר, ויוצר קצר חשמלי קבוע, המכונה התמוטטות תרמית. התמוטטות תרמית היא בלתי הפיכה, והדיודה תאבד לחלוטין את תפקידה.

2, נזק ישיר של התמוטטות דיודה לממירים
דיודות בממירים משמשות בעיקר לתיקון, סיבוב חופשי והידוק, והתמוטטותן עלולה לגרום להתפשטות תקלות בנתיבים שונים.

1. תיקון התמוטטות דיודה: קצר חשמלי ופיצוץ קבלים
בממירים פוטו-וולטאיים או במקורות חשמל תעשייתיים, גשר המיישר מורכב מ-6 דיודות (3 קתודה משותפת ו-3 אנודות משותפות). אם דיודה בודדת מפורקת תרמית ליצירת קצר חשמלי, היא תגרום לקטבים החיוביים והשליליים של אפיק ה-DC להוביל ישירות, מה שיוביל לקצר חשמל. בשלב זה, קבל הסינון מתחמם במהירות עקב זרם יתר, מה שגורם לאידוי והרחבת האלקטרוליט, מה שעלול להוביל לפיצוץ. לדוגמה, בתחנת כוח פוטו-וולטאית מסוימת, התמוטטות דיודת המיישר גרמה להתפוצצות הקבל בצד DC, וכתוצאה מכך לגריטה של ​​כל מודול המהפך ולהפסד כלכלי ישיר של למעלה מ-100,000 יואן.
2. התמוטטות דיודה מהדק: מתח האוטובוס יצא משליטה
בממירים מרובים-, משתמשים בדיודות מהדק כדי להגביל את תנודות המתח של אוטובוס DC. אם דיודת ההידוק מתקלקלת, מתח האוטובוס עלול לחרוג מטווח המתח העמידות של IGBT, ולגרום להתמוטטות שרשרת. לדוגמה, ממיר תדר מתח בינוני חווה תקלה של דיודת המהדק, מה שגרם למתח האוטובוס DC לעלות מ-600V ל-900V, וכתוצאה מכך נזק לכל 12 מודולי ה-IGBT וזמן כיבוי של עד 72 שעות.

3, השפעות ברמת המערכת של התמוטטות דיודה
1. הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) ועיוות אות
כאשר דיודה מתקלקלת, השינוי המהיר בזרם הקצר-ייצור הפרעות אלקטרומגנטיות בתדר- גבוה, המקושר למעגל הבקרה באמצעות קיבול טפילי וגורם לעיוות של אות הכונן IGBT. במקרה של ממיר כוח רוח, הפרעות ה-EMI שנגרמו כתוצאה מהתמוטטות הדיודה החופשית הביאו לאובדן דופק של 10 μ שניות של אות ההנעה IGBT, מה שגרם למומנט המנוע לתנודות מעבר ל-20% ולהפעיל אזעקת רטט מכנית.
2. תפקוד שגוי של מעגל ההגנה ושיתוק המערכת
ממירים מודרניים מצוידים בדרך כלל בפונקציות הגנת זרם יתר, מתח יתר וטמפרטורה יתר. עם זאת, התמוטטות דיודה עלולה להוביל להערכה שגויה של מעגל ההגנה:
הפעלה שגויה של הגנת זרם יתר: זרם קצר חשמלי עלול להיחשב בטעות לשינוי פתאומי בעומס, מפעיל הגנת הגבלת זרם וגורם לפעולת הפחתת המערכת;
כשל בהגנה על מתח יתר: אם דיודת המהדק מתקלקלת, נקודת ניטור מתח האוטובוס נכשלת, ולא ניתן להפעיל את הגנת מתח היתר;
עיכוב הגנת טמפרטורת יתר: הטמפרטורה בנקודת ההתמוטטות של הדיודה עשויה להיות גבוהה מהטמפרטורה בנקודת הניטור של החיישן, מה שגורם לעיכוב בהפעלת הגנת טמפרטורת יתר.
במקרה של מהפך מתיחה במעבר מסילה מסויים, התמוטטות דיודה המיישרת גרמה לפעולה שגויה של הגנת זרם יתר, וכתוצאה מכך פעולת ירידה תכופה של המערכת. בסופו של דבר, עקב הצטברות חום, מודול ה-IGBT התפוצץ והרכבת נעצרה למשך 12 שעות.
4, אסטרטגיית הגנה ואמינות עיצוב
1. עיצוב מעגל: יתירות והגבלת זרם
עיצוב מיותר: בגשר המיישר, מאמצת תצורה מיותרת "N+1", כלומר דיודות נוספות מחוברות במקביל. כאשר דיודה בודדת מתקלקלת, המערכת עדיין יכולה לפעול בקיבולת מופחתת;
נגד מגביל זרם: חבר נגדי התנגדות קטנים (כגון 0.1 Ω/5W) בסדרה על פני הדיודה כדי להגביל את שיא זרם הקצר- במעגל;
מעגל מאגר RC: הוסף מעגל מאגר RC (כגון C=0.1 μ F, R=10 Ω) למעגל המקביל של דיודות IGBT כדי לספוג את מתח היתר הכיבוי ולהפחית את הלחץ ההפוך של הדיודה.
2. ניטור מערכת: אבחון-בזמן אמת ותחזוקה חזויה
זיהוי הדמיה תרמית אינפרא אדום: ניטור בזמן אמת של טמפרטורת מעטפת הדיודה באמצעות מצלמת תרמית אינפרא אדום, מפעיל אזעקה כאשר הטמפרטורה עולה על הערך הנקוב של 15 מעלות;
ניטור פרמטרים חשמליים: ניטור בזמן אמת של זרם דיודה באמצעות חיישני זרם (כגון חיישני הול), והגנה מופעלת כאשר הזרם עולה על פי 1.2 מהערך הנקוב;
חיזוי תקלות בינה מלאכותית: אמן מודלים של למידת מכונה המבוססים על נתונים היסטוריים כדי לחזות את יתרת החיים (RUL) של דיודות ולהחליף מראש רכיבים בסיכון גבוה.